Exercices pour l’AP Calculus : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Limites

Substitution directe
essayez d’abord x = a ; 0/0 signifie qu’il faut simplifier
Factoriser et simplifier
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Expression conjuguée
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Limites à l’infini
divisez par la plus grande puissance de x ; des degrés égaux donnent le rapport des coefficients dominants
Limite remarquable
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Règle de L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Dérivées

Règle des puissances
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Règle du produit
(uv)′ = u′v + uv′
Règle du quotient
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Dérivation en chaîne
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Dérivées usuelles
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Méthode

  1. Identifiez la structure : somme, produit, quotient ou composée.
  2. Appliquez la règle des puissances à chaque puissance de x.
  3. Utilisez la règle du produit, du quotient ou de dérivation des fonctions composées si nécessaire.
  4. Simplifiez, et évaluez au point si c’est demandé.

Optimisation

Méthode
exprimez Q(x) en fonction d’une seule variable, résolvez Q′(x) = 0, vérifiez avec Q″ ou les bornes
Maximum
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Minimum
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Cylindre fermé
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Bénéfice
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Intégrales

Règle des puissances
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Intégrale définie
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Primitives usuelles
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Aire entre deux courbes
∫ab (f − g) dx

Méthode

  1. Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
  2. Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
  3. Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
  4. Pour une intégrale définie, calculez F(b) − F(a).

Équations différentielles

Croissance/décroissance exponentielle
dy/dt = ky → y = y0ekt
Demi-vie
k = ln 2 / t½
Loi de refroidissement de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Facteur intégrant
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Cuve de mélange
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Suites et séries

Suite arithmétique
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Suite géométrique
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série géométrique infinie
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série de Riemann
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Test du rapport
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Rayon de convergence
R = lim |ck/ck+1|
Polynôme de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Majoration de l’erreur de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Méthode

  1. Identifiez le type : arithmétique (différence constante), géométrique (rapport constant), une série usuelle, une série entière ou un polynôme de Taylor.
  2. Pour les sommes, utilisez Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quand |r| < 1, avec a₁ le premier terme de la somme.
  3. Pour la convergence : d’abord le test du terme général, puis comparez avec Σ1/kᵖ ou une série géométrique, et utilisez le test du rapport ou de la racine pour les factorielles et les puissances k-ièmes.
  4. Pour les polynômes de Taylor, listez f(a), f′(a), f″(a), …, divisez la dérivée k-ième par k!, et majore l’erreur par M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

2Exercices

1.LimitesMoyen
xyy = L

Trouvez la limite L = limx→∞ (√(x2 + 8x) − x).

f(x) = √(x2 + 8x) − xx → ∞
L =
2.LimitesDifficile
xyx = 0

Trouvez la limite L = limx→0 (1 − cos 4x)/(4x²), avec x en radians.

f(x) = (1 − cos 4x)/(4x²)x → 0
L =
3.DérivéesMoyen
xyx = 1

Soit f(x) = ln(x2 + 1). Calcule f′(1).

f(x) = ln(x2 + 1)x = 1
f′(1) =
4.DérivéesDifficile
xyx = 2

La tangente à f(x) = 3x2 − 2x − 5 en x = 2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = 3x2 − 2x − 5x = 2
b =
5.OptimisationMoyen
rh

Une boîte de conserve cylindrique fermée (avec un couvercle et un fond) doit contenir 500 cm³. La quantité de métal utilisée est proportionnelle à l’aire totale. Trouvez la hauteur h de la boîte qui utilise le moins de matière.

V = 500 cm³
h = cm
6.OptimisationDifficile
qP(q)maximum

Une entreprise vend q unités par semaine. Le prix auquel elle peut les vendre est p = 110 − 0,25q euros par unité, et le coût vaut C(q) = 2300 + 35q euros. Trouvez la production hebdomadaire q qui maximise le bénéfice.

p = 110 − 0,25qC = 2300 + 35q
q = unités
7.IntégralesMoyen
xy02

Calcule I = ∫02 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 2]
I =
8.IntégralesDifficile
xyy = x2​y = x

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = x.

y = x2y = x
A =
9.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)30Ta​254 °C106 °C

Une pièce d’acier forgé à 440 °C refroidit dans un atelier à 27 °C. Au bout de 30 min, sa température est de 254 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 106 °C ?

T0 = 440 °CTa = 27 °CT(30) = 254 °CT = 106 °C
t = min
10.Équations différentiellesDifficile
ty0,5y(0,5) = ?

Résolvez y′ + 2y = 10e−3t avec y(0) = 0. Trouvez y(0,5).

y′ + 2y = 10e−3ty(0) = 0
y(0.5) =
11.Suites et sériesMoyen
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Appliquez le test du rapport à Σk=1∞ k³·3ᵏ/5ᵏ. Trouvez L = lim |ak+1/ak|.

ak = k³·3ᵏ/5ᵏ
L =
12.Suites et sériesDifficile

f(x) = ln(1 + x) est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 3 en x = 0,2. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = 3! = 6 pour trouver la plus grande erreur possible |R₃|.

f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,2M = 6
|R₃| =

3Solutions

1.Limites

Réponse: L = 4

Limites : essayez d’abord la substitution directe. Si elle donne 0/0, simplifiez d’abord : factorisez et simplifiez le facteur commun, ou multipliez par l’expression conjuguée. Quand x → ∞, divisez le numérateur et le dénominateur par la plus grande puissance de x. Règle de L'Hôpital : si f/g donne 0/0 ou ∞/∞, alors lim f/g = lim f′/g′, en dérivant séparément le numérateur et le dénominateur (pas avec la règle du quotient).

Multiplier par l’expression conjuguée

f(x) = 8x/(√(x2 + 8x) + x)

Diviser par x

f(x) = 8/(√(1 + 8/x) + 1)

Faire tendre x → ∞

L = 8/(1 + 1) = 4

Réponse

L = 4
2.Limites

Réponse: L = 2

Limites : essayez d’abord la substitution directe. Si elle donne 0/0, simplifiez d’abord : factorisez et simplifiez le facteur commun, ou multipliez par l’expression conjuguée. Quand x → ∞, divisez le numérateur et le dénominateur par la plus grande puissance de x. Règle de L'Hôpital : si f/g donne 0/0 ou ∞/∞, alors lim f/g = lim f′/g′, en dérivant séparément le numérateur et le dénominateur (pas avec la règle du quotient).

Première application

4·sin 4x/(8x) → 0/0

Seconde application

16·cos 4x/8

Remplacer x par 0

L = 16/8 = 2

Réponse

L = 2
3.Dérivées

Réponse: f′(1) = 1

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Dérivation en chaîne du logarithme

f′(x) = 2x/(x2 + 1)

Remplacer

f′(1) = 2/2 = 1

Réponse

f′(1) = 1
4.Dérivées

Réponse: b = −17

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Point et pente

f(2) = 3
f′(x) = 6x − 2 → f′(2) = 10

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 10·2 = −17

Réponse

b = −17
5.Optimisation

Réponse: h = 8,603 cm

Optimisation : écrivez la grandeur à optimiser comme une fonction d’une seule variable, en utilisant la contrainte pour éliminer l’autre. Annulez la dérivée et résolvez. Vérifiez que le point critique est un maximum ou un minimum (dérivée seconde ou changement de signe de la dérivée première) et qu’il se trouve dans l’intervalle autorisé ; une borne comme une longueur de côté nulle n’est pas la réponse.

Aire en fonction de r

h = 500/(πr²)
A(r) = 2πr² + 1000/r

Annuler la dérivée

A″(r) = 4π + 2000/r³ > 0, c’est donc un minimum.

4πr − 1000/r² = 0 → r = ∛(500/(2π)) = 4,301 cm

Hauteur et aire

h = 500/(π·4,301²) = 2r = 8,603 cm
A = 2π·4,301² + 1000/4,301 = 348,7 cm²

Réponse

h = 8,603 cm

La boîte fermée la plus économique est aussi haute que large : h = 2r.

6.Optimisation

Réponse: q = 150 unités

Optimisation : écrivez la grandeur à optimiser comme une fonction d’une seule variable, en utilisant la contrainte pour éliminer l’autre. Annulez la dérivée et résolvez. Vérifiez que le point critique est un maximum ou un minimum (dérivée seconde ou changement de signe de la dérivée première) et qu’il se trouve dans l’intervalle autorisé ; une borne comme une longueur de côté nulle n’est pas la réponse.

Fonction de bénéfice

P(q) = (110 − 0,25q)·q − (2300 + 35q) = −0,25q2 + 75q − 2300

Annuler la dérivée

P″(q) = −0,5 < 0, c’est donc un maximum.

q = 75/0,5 = 150

Prix et bénéfice

p = 110 − 0,25·150 = €72,5
P = 75·150 − 0,25·150² − 2300 = €3325

Réponse

q = 150
7.Intégrales

Réponse: I = 0,8647

Intégrales définies : ∫ₐᵇ f(x) dx est l'aire algébrique entre le graphe et l'axe des x de a à b. Trouve une primitive F (avec F′ = f) et calcule F(b) − F(a). Règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'aire entre deux courbes est ∫(haute − basse) dx.

Primitive

F(x) = e−x/(−1)

Évaluer aux bornes

I = (e−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647

Réponse

I = 0,8647
8.Intégrales

Réponse: A = 0,1667

Intégrales définies : ∫ₐᵇ f(x) dx est l'aire algébrique entre le graphe et l'axe des x de a à b. Trouve une primitive F (avec F′ = f) et calcule F(b) − F(a). Règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'aire entre deux courbes est ∫(haute − basse) dx.

Points d'intersection

x2 = x → x = 0, x = 1

Intégrer la haute moins la basse

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Réponse

A = 0,1667
9.Équations différentielles

Réponse: t = 82,91 min

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·ekt (croissance pour k > 0, décroissance pour k < 0) ; une demi-vie T donne k = ln 2/T. La loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), donne T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Une équation linéaire y′ + p(x)·y = q(x) se résout avec le facteur intégrant μ = e∫p dx : (μy)′ = μq, donc μy = ∫μq dx + C.

Constante de refroidissement

k = ln(413/227)/30 = 0,01995 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(413/79)/0,01995 = 82,91 min

Réponse

t = 82,91 min
10.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 1,447

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·ekt (croissance pour k > 0, décroissance pour k < 0) ; une demi-vie T donne k = ln 2/T. La loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), donne T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Une équation linéaire y′ + p(x)·y = q(x) se résout avec le facteur intégrant μ = e∫p dx : (μy)′ = μq, donc μy = ∫μq dx + C.

Facteur intégrant

μ = e2t
(e2ty)′ = 10e−t

Solution générale

y = 10/(−1)·e−3t + C·e−2t = −10·e−3t + C·e−2t

Condition initiale

0 = −10 + C → C = 10

Évaluer

y(0,5) = −10·0,2231 + 10·0,3679 = 1,447

Réponse

y(0,5) = 1,447
11.Suites et séries

Réponse: L = 0,6

Convergence : si les termes ne tendent pas vers 0, la série diverge (test du terme général). Σ1/kᵖ ne converge que pour p > 1, et Σrᵏ que pour |r| < 1. Comparez une série à l’une d’elles quand ses termes se comportent comme celles-ci pour k grand. Test du rapport : L = lim |ak+1/ak| ; test de la racine : L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 ne décide rien. Une série entière Σck(x − x₀)ᵏ converge pour |x − x₀| < R avec R = lim |ck/ck+1| ; une série alternée dont les termes décroissent vers 0 converge.

Rapport de termes consécutifs

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)³·3/5 → 3/5

Conclusion

L = 0,6 < 1

Réponse

L = 0,6

L < 1, donc la série converge.

12.Suites et séries

Réponse: |R₃| = 0,0004

Polynômes de Taylor : près de x = a, une fonction régulière est approchée par Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! ; pour a = 0, c’est le polynôme de Maclaurin. Séries usuelles : eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Majoration de l’erreur de Lagrange : |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, où M est la plus grande valeur de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a et x.

Majoration de la dérivée

M = 3! = 6

Majoration de Lagrange

|R₃| ≤ 6·0,2⁴/4! = 0,0004

Réponse

|R₃| = 0,0004

L’erreur réelle est plus petite : |f(0,2) − P₃(0,2)| = 0,0003451.

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